-
8/12/2019 04111351_leer
1/8
IEEE T r a n s a c t i o n s o n P o w e r A p p a r a t u s a n
d S y s t e m s , V o l . P A S - 1 0 1 , N o . 2 F e b r u a r y 1
9 8 2A PROTOTYPE OF MULTIPROCESSOR BASED DISTANCE RELAY
P . BORNARD, M e m b e r , I E E E J . C . B A S T I D E , N o n
M e m b e r , I E E EE l e c t r i c i t e d e F r a n c eC l a m a
r t , F r a n c e
A b s t r a c t - T h i s p a p e r c o n c e r n s t h e d e s
i g n a n d r e a l i z a t i o no f a d i g i t a l r e l a y f o
r E HV s y s t e m s . I t d e s c r i b e s t h e a l g o r i t h
mw h i c h h a s b e e n u s e d a n d t h e m a i n p r i n c i p
l e s o f o p e r a t i o n . T h e ni t s h o w s h ow a p r o t o
t y p e h a s b e e n b u i l t w i t h f o u r 1 6 - b i tm i c r
o p r o c e s s o r s , t o a l l o w t h e s i m u l t a n e o u s
r e a l - t i m e compu-t a t i o n o f t h r e e a p p a r e n t i
m p e d a n c e s . T h e h a r d w a r e a n d s o f t -w a r e a
r c h i t e c t u r e a r e d e s c r i b e d . T h e p a p e r a l
s o p r e s e n t s t h er e s u l t s o f t h e t e s t s c a r r
i e d o u t o n t h e r e l a y : a t r i p p i n g s i g n a li s
s e n t w i t h i n o n e p e r i o d o f 50 Hz f o r a l l f a u l
t s ( h a l f a p e r i o df o r n e a r - b y s h o r t - c i r c
u i t s ) . F u r t h e r m o r e , s i n g l e - p h a s e t r i p
p i n g ,d i re c t i on a l d i s c r i m i n a ti o n a n d p o w
e r - s w i n g d e t e c t i o n a r e p r o -v i d e d .
INTRODUCTION
T h e d e v e l o p m e n t o f a d i g i t a l d i s t a n c e
r el a y i s p a r t o f al a r g e E DF s c h e m e , t h e PANDOR
p r o j e c t , t h e a i m o f w h i c h i st o i m p r o v e f a
u l t c l e a r a n c e t i m e s b y i n c r e a s i n g t h e s p
e e d o fr e l a y s a n d c i r c u i t - b r e a k e r s . On t h
e o th er h a n d , a n a s s e s s m e n to f t h e d i g i t a l
i z a t i o n o f m o s t o f E HV s u b s t a t i o n e q u i p m
e n t s( p r o t e c t i o n s , c o m m u n i c a t i o n s , a u
t o m a t i o n d e v i c e s . . . ) i s i n c l u -d e d i n t h
e s c o p e o f t h i s p r o j e c t .T h e c h o i c e o f a d i
s t a n c e p r o t e c t i o n w a s made a c c o r d i n gt o t h
e p r e s e n t E D F ' s p o l i c y . I n t h i s r e s p e c t ,
s t u d i e s o f d i g i t a ld i f f e r e n t i a l r e l a y s
a re c u r r e n t l y i n p r o g r e s s f o r some p a r t i -c
u l a r p r o b l e m s s u c h a s m u l t i p l e - e n d l i n e
s .W i t h o u t r e v i e w i n g t h e c l a s s i c a l d i s c
u s s i o n a b o u t t h e p ro sa n d c o n s o f d i g i t a l r
e l a y s [ I ] [ 2 ] i t i s u s e f u l t o e m p h a s i z et h
e i r m a i n a d v a n t a g e s w h i c h h a v e g u i d e d u s
f o r t h e d es i g n o f ap r o t o t y p e :- f l e x i b i l i
t y ( w h i c h means a p o s s i b i l i t y o f c h a n g i n g a
l g or i th m sa n d l o g i c ) ,- f a u l t - t o l e r a n c e (
w h i c h l e a d s t o a m u l t i p r o c e s s o r s t r u c t u
r eb e c a u s e o f t h e p r e s e n t l a c k o f f a u l t - t
o l e r a n t c h i p s )- r e d u c t i o n o f c o s t s w h e n
i n c l u d e d i n a n h o m o g e n e o u s d e s i g no f a l l
E HV s u b s t a t i o n e q u i p m e n t s ( w h i c h a t t h e
m o m e nti m p l i e s t h e u s e o f m i c r o p r o c e s s o r
s ) .
T h e a i m w a s t o f o l l o w t h e s e t h r e e d i r e c
t i o n s t o r e a l i z e ap r o t o t y p e g i v i n g a t ri p
p i ng s i g n a l w i t h i n a 5 0 Hz p e r i o d f o r a l lf a
u l t s , w i t h i n h a l f a p e r i o d f o r s e v e r e s h o
r t - c i r c u i t s , compu-t i n g i m p e d a n c e s w i t h e
n o u g h a c c u r a c y t o a l l o w a f i r s t z o n e o f80 o
f t h e p r o t e c t e d l i n e , a n d p ro v i d i n g s i ng l
e -p h a se t r i p -p i n g , d i re c t io na l d i s c r i m i n
a t i on a n d p o w e r - s w i n g d e t e c t i o n .ALGORITHM
FOR FAULT MEASUREMENT
T h e a l g o r i t h m w h i c h h a s b e e n i m p l e m e n
t e d i s b a s e d o n am e a n - s q u a r e - e r r o r m i n i
m i s a t i o n : t h e r es i st a n c e R a n d i n d u c -t a n
c e L o f t h e l i n e a t t i m e t a r e l i n k e d t o t h e c
u r r e n t i ( t ) a n dv o l t a g e v ( t ) b y t h e e q u a t
i o nv ( t ) + e ( t ) = R i ( t ) +L i ( t ) - i ( t - T ) ( )Tw h
e r e T i s t h e s a m p l i n g p e r i o d a n d e ( t ) r e p r
e s e n t s t h ed i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m o d e l
o f t h e l i n e a n d t h e a c t u a lp h e n o m e n a ( n o i
s e , s h u n t c a p a c i t a n c e , measurement e r r o r s )
.E q u a t i o n ( l ) c a n b e w r i t t e n :v ( t ) + e ( t ) =
a l i ( t ) + a 2 i ( t - T ) ( 2 )
8 1 SM 3 8 4 - 7 A paper recommended a nd a pp r ov ed b y t h
eI E E E Power S y s t e m Relaying Committee o f t h e I E E E
PowerE n g i n e e r i n g Society f o r presentation a t t h e I E
E E P E SS u m m e r Me e tin g, Po rtla nd, O r e g o n , July 2 6
- 3 1 , 1 9 8 1 .M a n u s c r i p t s ub m itte d J a nu a ry 3 0
, 1 9 8 1 ; m a de a va il ab l ef o r p r i n t i n g A p r i l 2
2 , 1 9 8 1 .
w i t h R =a + a 2 a n d L=-a2 T ( 3 )W r i t i n g e q u a t i
o n ( 2 ) f o r m s u c c e s s i v e s a m p l e s g i v e s a r e
l a t i o n -s h i p o f t h e f o r m :M . l a ] [ v i + [ e ]w h
e r e M i s t h e m a t r i x
a n d [ v ]
( 4 )
I ( t ) ( t ) [ a a lv (t ) ] -1I l I
Lv ( t m )
- e ( t )[ e ] =
I tL- etM)i
I f w e d en o t e b y AT t h e t r a n s p os e o f m a t r i x
A:m 2 T7 e ( t ) = [ e ] . [ e ] = F ( a )j = IF ( a ) = [ l a ] T
. MT. M . a ] - 2 [ a f . M T . [ v i +viT . [ v J[ a * ] , t h e v
a l u e o f [ a ] w h i c h m i n i m i z e s F ( a ) , i s s u c h
t h a t3 F ( a * ) = 0aw h i c h i m p l i e s M T . M. [ a ] = M T
. [ v iT h e r el a y s o l v es e q u a t i o n ( 5 )d e n o t i n
g M T . m = ( P . . )i I
P i j ) =m - Im lA 1 i ( t - j T )j =0 m - 17 i ( t - j T ) . i
[ t - ( j + l ) T ]j = O 0
m - I7 i ( t - j T ) . i [ t - ( j + l ) T I- j = 0
( 5 )
( 6 )m 27 - i 2 ( t - j T )j = l
a n d M . l y v = b i )m - I[ i ( t - j T ) . v ( t - j T )j
=0
( b ) = Jm - 1 i t t - j + l ) T I . v t - j T ) Jj = 0- P 2 2 b
1 - P 1 2 b 2[ a i l s g i v e n b y a 1 =P1 P 2 2 - 2
( 7 )
X Pl b 2 - P 1 2 1a n d a 2 - 2l l 2 2 1 2R a n d L a r e o b t
a i n e d t h r o u g h e q u a t i o n s ( 3 ) .I n s t e a d y -
s t a t e c o n d i t i o n s , R a n d L c o m p u t e d w i t h t
h e a b o v e
1 9 8 2 I E E E
4 9 1
-
8/12/2019 04111351_leer
2/8
4 9 2formula are wTi R =R L o t g 2
O) T ( 8 )L =Lo s i n w Twhere Rand Lo are the actual values o f
resistance andi n d u c t a n c e , c o t h e system p u l s a t i
o n .When v ( t ) = Vm s i n ( w t + q ) + V s i n ( a t + f )m ~ ~
~ pa n d i ( t ) = I m s i n w t , i t c a n b e s h o w n t h a t
t h e m ax i m u mr e l a t i v e e r r o r s o n R a n d L a r e g
i v e n b yAR Vp kRLand = p= m a x Vm c o s adL V s i n ?k L , w h
i c h i s v e r y s i m i l a r t o k R , i s i l l u s t r a t e d
b y f i g u r e 1 .
1 . 2
1 . 0
06
04
0 2F i n Hz
0 1 0 0 2 0 0 30 0 40 0 500 6 0 0
F i g u r e 1: kL c o e f f i c i e n t v e r s u s f =w i t h T
= 0 , 8 3 ms a n d mT = 1 5 ms
F o r more c o m p l e x i n p u t s i g n a l s p e c t r a , a
n a l y t i c a l s t u d i e sbeco me a l m o s t i m p o s s i b
l e , b e c a u s e o f t h e n o n - l i n e a r i t y o f t h ea
l g o r i t h m . I t c a n b e shown t h a t t h e s e n s i t i v
i t y o f L t o c u r r e n th a r m o n i c s i n c r e a s e s s
l i g h t l y w i t h t h e i r f r e q u e n c y . H o w e v e r
,when c o m p a r i n g t h e s e p e r f o r m a n c e s t o o t h
e r a l g o r i t h m s , i tm u s t b e b e a r e d i n mind t h a
t t h i s s o r t o f s p e c t r u m s t u d i e si m p l i c i t
l y assume t h e s t a t i o n n a r i t y o f v o l t a g e s a n
d c u r r e n t s ,w h i c h i s n o t v e r y r e a l i s t i c (
i n p a r t i c u l a r i n t h e c a s e o f f a u l t o na n o v
e r l o a d e d l i n e ) .C h o i c e o f window l e n g t h a n d
s a m p l i n g f r e q u e n c y
A w i n d o w l e n g t h ( m T ) o f t h r e e q u a r t e r s
o f a c y c l e ( 1 5m s ) h a s b e e n c h o s e n a s a g o o d
c o m p r o m i s e between a c c u r a c y( q u a l i t y o f d i
g i t a l f i l t e r i n g ) a n d s p e e d , i n accordance t o
t h et a r g e t s d e s c r i b e d a b o v e .T h e s a m p l i n
g f r e q u e n c y , f e i s t h e o r e t i c a l l y l i m i t e
d o n i t sh i g h v a l u e s b y t h e q u a n t i z a t i o n n
o i s e : t h e e f f e c t o f a f i n i t ew o r d - l e n g t h
f o r d a t a a c q u i s i t i o n i s v e r y s e v e r e o v e r
2 kHz f o ra l g o r i t h m s u s i n g c u r r e n t d i f f e r
e n c i a t i o n w i t h 1 2 - b i t s a m p l e s( i t i n d u c
e s a l a r g e d e c r e a s e i n t h e s i g n a l / n o i s e r
a t i o ) .On t h e o t h e r h a n d , t h e 5 0 Hz d e l a y d u
e t o t h e u s e o f a na n t i - a l i a s i n g a n a l o g f i
l t e r g i v e s a l o w b o u n d a r y t o f ( a l t h o u g
h,ei t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h e ai m o f a
d i g i t a l r e l a y i s n o tt h e o r i g i n a l s i g n a l
r e c o n s t r u c t i o n , and t h a t a s l i g h t a l i a s i
n ge f f e c t c a n b e t o l e r a t e d ) .B u t i n f a c t , t
h e d e c i s i v e c r i t e r i a i n t h e c h o i c e o f f a r
e :- t h e n e e d f o r a s u f f i c i e n t nu m be r o f s a m
p l e s i n tR e w i n d o wf o r c o r r e c t d i g i t a l f i l
t e r i n g ( i . e . f . > 1 k H z )- a n d o f c o u r s e t h
e c o m p u t a t i o n e t i m e which must b e l e s s t h a na s
a m p l i n g p e r i o d f o r c o n t i n u o u s r e a l - t i m
e i m p e d a n c e r e l a y -i n g . T h a t i s why a s a m p l
i n g f r e q u e n c y o f 1 2 0 0 Hz was c h o s e n24 d a t a i
n a 5 0 Hz p e r i o d , 1 8 i n t h e w i n d o w ) .I n c o n c l
u s i o n , t h e main a d v a n t a g e s w h i c h were f o u n d
f o r
t h e mean-square m i n i m i z a t i o n a l g o r i t h m
were- a g o o d s p e e d - a c c u r a c y c o m p r o m i s e- a
l a r g e c o n v e r g e n c e s p e e d f o r h i g h c u r r e n
t f a u l t s d u e t o t h eu s e o f s q u a r e d v a l u e s ,
a n d t h e l a c k o f s i n g u l a r i t i e s- t h e i n s e n
s i b i l i t y o f t h e c o m p u t e d d i s t a n c e o f a f a
u l t v e r s u st h e s y s t e m f r e q u e n c y s h i f t s- t
h e s m a l l n e s s o f e r r o r s i n d u c e d b y a s a t u r
a t i o n o f t h e a n a l o g- t o - d i g i t a l c o n v e r t
e r s , u s e d t o l i m i t t h e r a n g e o f c u r r e n t s
.H o w e v e r , t h e n u m b e r o f a r i t h m e t i c a l o p
e r a t i o n s i s r e a -s o n a b l e , a n d w e l l s u i t e
d t o a m i c r o p r o c e s s o r i m p l e m e n t a t i o n
.MAIN PRINCIPLES OF OPERATION
T o d et ec t a n d t r i p c o r r e c t l y a l l t h e t y p
e s o f f a u l t o n a nE HV n e t w o r k , i t was d e c i d e d
t o b u i l d a r e l a y c o m p u t i n gs i m u l t a n e o u s
l y 3 a p p a r e n t l i n e - i m p e d a n c e s , f r o m e i t
h e r t h e 3p h a s e - t o - p h a s e o r t h e 3 p h a s e - t
o - g r o u n d p o t e n t i a l / c u r -r e n t p a i r s . T h
i s s o l u t i o n a l l o w s a f a s t t r i p p i n g d e c i s
i o n t o b et a k e n d u e t o t h e r a p i d c h o i c e o f t
h e p a i r s t o b e p r o c e s s e d . As i m p l i f i e d f l
o w - c h a r t o f t h e r e l a y i s g i v e n o n f i g u r e 2
.I IV o l t a g e and c u r r e n ts a m p l i n g on t h e 3 p h a
s e s
n o k e se r o - s e q u e n c e d e t e c t i o nC o m p u t a
t i o n o fp h a s e - t o - p h a s ev and iC o m p u t a t i o n
o ft h e 3 p h a s e - p h a s ea p p a r e n t i m p e d a n c e
s
C o m p u t a t i o n o fcompens atedc u r r e nt sC o m p u t a
t i o n o fth e 3 p h a s e - t o - >g r o u n da p p a r e n t
i m p e d a n c e
n o / On e o r m o r e i m p e d a n c e i s \i n s i d e t h e
t r i p p i n g c h a r a c t e r i s t i cyes
P h a s e - s e l e c t i o n |d i r e c t i o n a l d i s c r i
m i n a t i oz o n e d e t e r m i n a t i o n
| p o w e r - s w i n g d e t e c t i o nd i s p a t c h o f t r
i p p i n g s i g n a l sa n d / o r information
F i g u r e 2 : s i m p l i f i e d f l o w - c h a r t o f t h
e r e l a yZ e r o - s e q u e n c e d e t e c t i o n
I n s t e a d y - s t a t e c o n d i t i o n s , t h e r e l a
y c o m p u t e s t h e 3 i m p e -d a n c e s f r o m p h a s e -
p h a s e d a t a . A f t e r e a c h new s e t o f s a m p l e s
,i t r e c k o n s z e r o - s e q u e n c e q u a n t i t i e s ,
3 I a n d 3 - V O . I f o n e o ft h e s e tw o v a l u e s e x c e
e d s a t h r e s h o l d c P u r i n g t w o c o n t i g u o u s
-s e t s o f s a m p l e s , t h e 3 d i s t a n c e - u n i t s a
r e commuted o n p h a s e -t o - g r o u n d d a t a ( p h a s e v
o l t a g e s a n d c o m p e n s a t e d c u r r e n t si hae+ K I
O ) . T h e t h r e s h o l d f o r 3 1 i s i n f a c t e q u a l t
o t h eu a r e r o f t h e maximum v a l u e o f a n y p h a s e c
u r r e n t d u r i n g t h el a s t 5 0 Hz p e r i o d ( w i t h a
minimum s t e p t o a v o i d c o m m u t a t i o nd u r i n g n o
- l o a d c o n d i t i o n s ) .T r i p p i n g c h a r a c t e r
i s t i cT h i s c h a r a c t e r i s t i c i s s h o w n o n f i
g u r e 3 i n t h e ( R , X ) p l a n .I t i s a p a r a l l e l o
g r a m t o s i m p l i f y t h e t r i p p i n g c r i t e r i a .
T h e8 2 . 5 0 a n g l e i s d u e t o t h e u s e o f a c o m p a
r i s o n b e t w e e n t h ec o m p u t e d a b s o l u t e - v a
l u e o f R a n d t h e m axi m u m f a u l t - r e s i s -
-
8/12/2019 04111351_leer
3/8
4 9 3t a n c e R D , a c c o r d i n g t o e q u a t i o n ( 8 )
.
F i g u r e 3 : t r i p p i n g c h a r a c t e r i s t i cWhen
a n i m p e d a n c e e n t e r s t h e c h a r a c t e r i s t i c
, a c o r r e s -p o n d i n g c o u n t e r i s i n i t i a l i z
e d a n d w i l l b e i n c r e m e n t ed a t e v e r yn e x t s a
m p l i n g p e r i o d . T h e r e s u l t q f t h e c o m p u t a
t i o n i s c o n s i -d e r e d c a p a b l e o f i n i t i a t i
n g a t r i p p i n g s i g n a l e i t h e r w h e n t h ei m p e
d a n c e h a s c o n v e r g e d ( i . e . i s s t a b l e f o r 2
. 5 m s i n ar e c t a n g l e o f R D / 4 o n t h e e i g h t h o
f t h e l i m i t i n d u c t a n c e o fz o n e 1 ) o r t h e c o
u n t e r i s e q u a l t o e i g h t e e n ( n u m b e r o f d a t
a i nt h e s a m p l i n g w i n d o w ) .
P h a s e s e l e c t i o nT h e r e l a y m u s t p r o v i d e
s i n g l e - p h a s e t r i p p i n g . I n a d d i t i o n ,i n
c a s e o f p o l y p h a s e f a u l t s , i t h a s t o d e c i d
e w h i c h o f t h e t h r e ep o t e n t i a l / c u r r e n t p
r o c e s s e d p a i r s i s / a r e t o b e c o n s i d e r e d f
o rd i r e c t i o n a n d z o n e d e t e r m i n a t i o n . W h
e n t h e d i s t a n c e u n i t s a r ef e d w i t h p h a s e t
o - g r o u n d d a t a , t h e P 1 m a t r i x e l e m e n t( e q
u a t i o n 6 ) i s u s e d . T h e r e a s o n f o r t h i s i s t
h e r a t i o o f P 1 1 f o ra f a u l t e d p h a s e o n P 1 1 f
o r a n h e a l t h y p h a s e c an b e s h o w n f o b ea l w a y
s e x c e e d i n g 4 . , w h e r e a s t h i s r a t i o d o e s n
o t e x c e e d 1 . 5 i fi t c o n c e r n s tw o f a u l t e d p h
a s e s . F i n a l l y , t h e c r i t e r i o n f o r p h a s es
e l e c t i o n b e t w e e n d i s t a n c e e l e m e n t s w h i
c h h a v e t h e i r i m p e -d a n c e i n s i d e t h e t r i p
p i n g c h a r a c t e r i s t i c i s : t h e r e i s a s i n g l
ep h a s e - t o - g r o u n d f a u l t o n p h a s e x i f P 1 1
o f p h a s e x i s m o r et h a n 2 . 5 t i m e s P 1 1 o f t h e
o t h e r p h a s e s ( P terms a r ec a l c u l a t e d w i t h c
o m p e n s a t e d c u r r e n t s ) .I n t h e c a s e o f p o l
y p h a s e f a u l t s , t h e p o t e n t i a l / c u r r e n tp
a i r u s e d f o r d i r e c t i o n a l a n d zone d e t e r m i
n a t i o n i s t h e o n ew h i c h h a s t h e h i g h e r P 1 1
( h i g h e r c u r r e n t ) .
D i r e c t i o n a l d i s c r i m i n a t i o nT h e d i r e c
t i o n o f t h e f a u l t ( b u s b a r - s i d e o r l i n e - s
i d e ) i sc o m p u t e d a s t h e s i g n o f t h e i n d u c t
a n c e o b t a i n e d f r o m t h ef o l l o w i n g d a t a :- t
h e c u r r e n t o f t h e s e l e c t e d p h a s e- t h e c o r
r e s p o n d i n g m e m o r i z e d p r e - f a u l t v o l t a g
e , s h i f t e d b ytw o s a m p l e s s o t h a t t h e d i r e c
t i o n a l r e v e r s e l i n e i n t h e ( R , X )p l a n h a s
a - 3 0 a n g l e w i t h t h e R a x i s ( s e e f i g u r e 3 ) t
o d e a lw i t h t h e n e a r r e s i s t i v e s h o r t - c i r
c u i t s .I n t h e c a s e o f a f a u l t a p p e a r i n g d u
r i n g a l i n e e n e r g i z a -t i o n ( n o p r e - f a u l t
v o l t a g e ) , t h e s h o r t - c i r c u i t i s a l w a y s d
e t e c t e da s l i n e - s i d e ( d o w n s t r e a m ) .Z o n e
d e t e r m i n a t i o n
A c c o r d i n g t o t h e value o f t h e c o m p u t e d i n
d u c t a n c e ofthe selected distance-unit, to the direction of
the fault and to
t h e r e l a y s e t t i n g s , o n e o f t h e t h r e e d o
w n s t r e a m z o n e s o r t h eu p s t r e a m z o n e ( z o n
e 4 ) i s c h o s e n .P o w e r - s w i n g d e t e c t i o n
T o p r e v e n t i n c o r r e c t t r i p p i n g d u r i n g
o u t - o f - s y n c h r o n i s mc o n d i t i o n s o r p o w e
r - s w i n g s , t h e r a t e o f c h a n g e o f t h e r e s i s
-t a n c e i s c a l c u l a t e d w h e n e v e r t h e r e i s a
p r e s u m p t i o n o f p h a s e -t o - p h a s e o r t h r e e
- p h a s e s h o r t - c i r c u i t . I f t h i s r a t e i s n o
ts u f f i c i e n t , t h e t ri p p i n g s i g n al s a re b l o
c k e d , a n d a p o w e r - s w i n ga l a r m i s s e n t . T h
i s f u n c t i o n i s s u p p r e s s e d i n t h e c a s e o fg
r o u n d e d f a u l t s .D i s p a t c h o f t r i p p i n g s i
g n a l s
T h e f a l l b a c k s p e e d o f a r e l a y , a f t e r s h
o r t - c i r c u i tc l e a r a n c e , i s s o m e t i m e s n e
a r l y a s i m p o r t a n t a s t h e t r i p p i n gs p e e d (
i n c a s e o f b r e a k e r f a i l u r e f o r e x a m p l e ) .
T h u s , t h e 3p h a s e o r d e r s t o t h e c i r c u i t - b
r e a k e r a n d t h e i r a s s o c i a t e d i n f o r -m a t i
o n a r e s t o p p e d a s s o o n a s a l l t h e i m p e d a n c
e s c o m e o u t t h et r i p p i n g c h a r a c t e r i s t i c
, o r when t h e c u r r e n t s o f t h e p h a s e s t ob e o p e
n e d d r o p b e l o w a v e r y l o w t h r e s h o l d ( w h i c
h m e a n s t h a tt h e b r e a k e r h a s w o r k e d c o r r e
c t l y ) .HARDWARE AND SOFTWARE ARCHITECTURE
T h e d i g i t a l p r o c e s s i n g o f d i s t a n c e r e
l a y i n g a l g o r i t h m sr e q u i r e s a t l e a s t a 1 6
- b i t CPU. A s n o 1 6 - b i t c u r r e n t l ya v a i l a b l e
m i c r o p r o c e s s o r w a s p o w e r f u l e n o u g h t o b
e u s e d a l on ewhen t h e p r o t o t y p e s t u d i e s s t a
r t e d i n 1 9 7 9 , a n d , o n t h e o t h e rh a n d , t o r e
a c h t h e t a r g e t s s e t o u t i n t h e i n t r o d u c t i
o n , ap a r a l l e l p r o c e s s i n g a p p r o a c h w a s t
a k e n u p .T h a t i s w h y t h e t h r e e - d i s t a n c e -
u n i t r e l a y i s b u i l t f r o mf o u r INTEL SB C 8 6 / 1 2
A b o a r d s u s i n g t h e 8 0 8 6 m i c r op ro -c e s s o r .
T h e d i f f e r e n t t a s k s a r e d i s p a t c h e d i n o r
d e r t o m i n i m i z ee x c h a n g e s o n t h e c o m m o n b
u s ( I n t e l s M u l t i b u s ) a n d t o a v o i dc o n t e n
t i o n i n s h a r i n g r e s s o u r c e s .T h e g e n e r a l
a r c h i t e c t u r e i s i l l u s t r a t e d b y f i g u r e 4
. On em a s t e r CPU s y n c h o n i z e s t h e w h o l e r e l a
y , a n d p r o c es s es t h ep r o b l e m s w h i c h c o n c e
r n s e v e r a l d i s t a n c e - e l e m e n t s : r e a d i n g
o ft h e s e t t i n g s , s a m p l i n g a n d p r e p r o c e s
s i n g o f d a t a , p h a s e s e l e c -t i o n , p o w e r - s
w i n g d e t e c t i o n , s e n d i n g o f t r i p p i n g o r d
e r s a n di n f o r m a t i o n . T h r e e s l a v e p r o c e s
s o r s w h i c h a r e i d e n t i c a l ( s a m eh a r d w a r e
a n d s o f t w a r e ) p r o c e s s t h e s pe c i f i c p r o b
l e m s o f o n eu n i t e a c h ( t h e y c o m p u t e i m p e d
a n c e s , d i r e c t i o n , z o n e ) .
F i g u r e 4 : G e n e r a l a r c h i t e c t u r e o f t h e
d i g i t a l r e l a yT h i s s i m p l e s t r u c t u r e i n d
u c e s a f a i r l y g o o d s h a r i n g o f t h et a s k s , s
i n c e t h e m a s t e r CPU i s b u s y a b o u t 6 0 o f t h e 0
. 8 3 3m s s a m p l i n g p e r i o d , a n d t h e s l a v es a l
w a y s l e s s t h a n 9 0 ,a c c o r d i n g t o t h e programm b
r a n c h t h e y e x e c u t e .
C u r r e n t a n d v o l t a g e s a m p l i n gT h e d a t a a
c q u i s i t i o n s y s t e m h a s s i x c h a n n e l s f o r t
h ep o t e n t i a l s a n d v o l t a g e - c o n v e r t e d c u
r r en t s o f t h e t h r ee p h a s es .T h e r e i s n o g a l v
a n i c c o u p l i n g b e t w e e n t h e t r a n s d u c e r s a
n d t h e
r e l a y o w i n g t o t h e u s e o f o p t o e l e c t r o n
i c l i n e a r i s o l a t i o n
-
8/12/2019 04111351_leer
4/8
a m p l i f i e r s w i t h t h e i r i s o l a t e d DC - t o -
DC c o n v e r t i n g p o w e r -s u p p l i e s ( t h e whole t o
l e r a t e 5kV s u r g e s ) .A d j u s t a b l e g a i ns g i v e
t h e s i x a n a l o g s i g n a l s t h e i r c o r r e c to u t
p u t l e v e l s : t h e v o l t a g e s s a t u r a t e w h e n t
h e p h a s e p o t e n t i a l so v e r s t e p t h e l u m p e d
p e a k r a t e d v o l t a g e , t h e c u r r e n t s s a t u r a
t eo v e r 40 kA t o l i m i t t h e i r d y n a m i c r a n g e .
T h e n , t h e r e a r e s i xa n t i - a l i a s i n g f i l t e
r s ( 3 p o l e B u t t e r w o r t h t y p e ) w i t h ac u t - o
f f f r e q u e n c y o f 550 H z , and a 0 . 7 ms d e l a y a t 50
H z . Th ef i l t e r s a r e f o l l o w e d b y s i x s a m p l e
- h o l d s .Th e s a m p l i n g o p e r a t i o n i s i n i t i a
t e d b y o n e o f t h e p r o -grammable t i m e r s o f t h e m
a s t e r CPU s b o a r d , w h i c h d e l i v e r s a s t a r t c
o n v e r s i o n c o m m a n d e v e r y 0 . 8 3 3 m s. T h i s o
u t p u t i ss e n t t o s i x h y b r i d 1 2 - b i t a n a l o g
- t o - d i g i t a l c o n v e r t e r s ( A D C ) ,w h o s e s t
a t u s information a t o n c e t r i g g e r s t h e s a m p l e -
h o l d s .Less than 25us l a t e r , a n e n d - o f - c o n v e r
s i o n s i g n a l i s s e n t a sa n i n t e r r u p t t o t h e
master CPU which c a n r e a d t h e s a m p l e dv a l u e s t h r
o u g h t h e p a r a l l e l l / O p o r t s d i r e c t l y c o n
n e c t e d t o i t sextended data b u s .T w e l v e - b i t ADC a
r e a t p r e s e n t t h e m o st a c c u r a t e t h a tc a n b e
r e a s o n a b l y used i n t h e s e v e r e environment o f an
EHVs u b s t a t i o n r e l a y i n g - h o u s e . T h u s , t o
s o l v e t h e p r o b l e m o f t h ed y n a m i c range o f c u
r r e n t s ( f r o m a f ew h u n d r e d a m p e r e s t oa b o
ut 1 8 0 kA f o r a s y m m e t r i c a l f a u l t s i n a 6 3 kA
s u b s t a t i o n ) , i twas d e c i d e d t o s a t u r a t e t
h e s e s i g n a l s f o r t h e v a l u e s e x c e e d i n g4 0
kA. B y t h a t w a y , t h e q u a n t i z a t i o n s t e p i s a
b o u t 2 0 A ( f o rt h e EHV l i n e ) , a n d e n o u g h a c c
u r a c y d u r i n g s t ea d y - s t a t e c o n d i -t i o n s i
s k e p t . T h i s s o l u t i o n h a s b e e n f o u n d t o b e
b e t t e r t h a ntw o p a r a l l e l ADC o n e a c h c h a n n e
l ( o n e f o r t h e l o w v a l u e s a n do n e f o r t h e l a
r g e ) , because t h e a l g o r i t h m c o r r e c t l y c o p e
s w i t he l e c t r o n i c a l l y s a t u r a t e d c u r r e n
t s .D i s t a n c e u n i t s
Each o f t h e 3 s l a v e p r o c e s s o r s h a s t o c o m p
u t e a ni m p e d a n c e e v e r y 0 . 8 3 3 m s , w i t h i n p
a r t i c u l a r a l a r g e n umb e ro f s i g n ed m u l t i p l
i c a t i on s a n d a d d i t i o n s . Th e 8086 i s to o s l o w
t op e r f o r m a l l o f th e m d u r i n g t h e s a m p l i n g
p e r i o d . S o , t o e a c hs l a v e b o a r d , a f a s t a r
i t h m e t i c e l e m e n t was a d d e d . T h i s u ni t i sd e
s i g n e d f r o m a m o n o c h i p TRW hardware m u l t i p l i
e r - a c c u m u -l a t o r , w h i c h r e c k o n s a 1 6 x 1 6
b i t m u l t i p l i c a t i o n a n d mayaccumulate t h e r e s u
l t t o a 3 5 - b i t r e g i s t e r i n l e s s t h a n 1 5 5 n s
.A l l t h e d e c o d i n g a n d c o n t r o l c i r c u i t r y
i s p r o v i d e d , sot h a t t h e us e o f t h e a r i t h m e
t i c u n i t i s v e r y e a s y f o r t h ep r o g r a m m e r :
t h e d e c o d e r s r e c o g n i z e t h e t y p e o f o p e r a
t i o nwhich h a s t o b e p e r f o r m e d ( m u l t i p l i c a
t i o n o r p r e l o a d o f a 3 2 -b i t v a l u e i n t h e a c
c u m u l a t i o n r e g i s t e r ) a n d t h e c o n t r o l c i
r c u i t so p e r a t e t h e m u l t i p l i e r and t h e i n t
e r f a c e c h i p s ( p a r a l l e l l / Od e v i c e s , d r i
v e r s a n d l a t c h e s ) . T h e c o m m a n d w h i c h c a u
s e saccumulation t o a p r e v i o u s r e s u l t i s s o f t w a
r e g e n e r a t e d .F o r t h e c o m m u n i c a t i o n s b e
t w e e n t h e s l a v e C P U ' s a n dt h e i r a r i t h m e t
i c u n i t s , t h e common b u s c o u l d n o t b e u s e d : t
h er e q u e s t s t o a c c e s s i t w o u l d h a v e b e e n
much t o o f r e q u e n t , w i t hw ai t t im es d o w n g r a d
i n g t h e m u l t i p l i e r s p e r f o r m a n c e s . T h u s
, ap r i v a t e b u s was c r e a t e d f o r e a c h u n i t b y
e x t e n d i n g t h e o n -b oa rd d a t a b u s a n d b y s l i
g h t l y m o d i f y i n g t h e a d d r e s s d e c o d el o g i
c o f the.SBC 8 6 / 1 2 A b o a r d s .As a r e s u l t , a s i g n
e d 1 6 x 1 6 b i t m u l ti p l i c a ti o n o f tw oCPU r e g i s
t e r s , w i t h t h e r e s u l t s t o r e d i n o t h e r CPU r
e g i s t e r s ,i s p e r f o r m e d i n 8 . 8 y s . W he n t h e
a c c u m u l a t i o n c o m m a n d i ss e d , t h i s t i m e a
s y m p t o t i c a l l y d e c r e a s e s t o 4 . 4 , u s .Th e r
e s i s t a n c e a n d i n d u c t a n c e a r e o b t a i n e d b
y p r o c es s i n gterms o f t h e f o r m ( a b c d ) / ( e f g h
) , w h e r e t h e d i f f e r e n tlements a r e 3 2 - b i t n u
m b e r s , a n d t h a t may i n d u c e c o m p u t i n gc c u ra
c y p r o b l e m s . T o a v o i d t h i s , ter ms l i k e a b -
c d a r e c a l c u -l a t e d a s 6 4 - b i t f i x e d - p o i n
t n u m b e r s , t h e n c o n v e r t e d i n t os e u d o f l o
a t t i n g - p o i n t v a l u e s w i t h h e x a d e c i m a l
exponent ( m u l -i p l e o f 4 ) and 2 8 - b i t ( f o r n u m e r
a t o r s ) o r 1 6 - b i t ( f o r d e n o m i -a t o r ) m a n t
i s s a . Th e o n l y o p e r a t i o n s o n t h e s e f l o a t
t i n g - p o i n ta re t h e l a s t tw o d i v i s i o n s , w h
i c h c a n b e d o n e e a s i l y b yn 8 0 8 6 ' s i n s t r u c
t i o n w i t h o u t o v e r f l o w p r o b l e m s b e c a u s e
o f t h ee n g t h o f t h e m a n t i s s a s a n d t h e f a c t
i m p e d a n c e i s a s s u m e d t oe i n f i n i t e ( a n d h
i s c o m p u t a t i o n s t o p p e d ) w h e n e v e r t h e d e
n o -
i n a t o r h a s a n exponent l e s s o r e q u a l t o 4 ( w h
i c h means aRMS v a l u e l e s s t h a n a b o u t 3 0 0 A )
.
C o m m u n i c a t i o n b e t w e e n p r o c e s s o r sS p e
c i a l i z e d b u s e s b e t w e e n t h e C P U ' s a n d t h e
i r s p e c i f i cu n i t s g r ea t l y s i m p l i f y t h e c o
m m u n i c a t i o n p r o b l e m s : t h e s l a v e sd o n ' t
h a v e t o a c c e s s t h e c o m m o n b u s , a n d a r e h a r
d w a r e -p r e v e n t e d t o d o s o , a v o i d i n g p r i o
r i t y r e s o l u t i o n s c h e m e s . O n l yt h e m a s t e
r p ro c e s so r u se s t h e c o m m o n b u s , t o w r i t e t
h e n e x td a t a i n t h e s l a v e s d o u b l e - p o r t RAMs
a n d t o r e a d t h e r e s u l t s o ft h e c a l c u l a t i o
n s .T h e s y n c h r o n i z a t i o n o f t h e 4 CPUs i s a c h
i e v e d b y m e a n s
o f a c o m m a n d s e n t b y t h e m a s t e r a s s o o n a
s t h e ne w d a t a a r er e a d y i n t h e s l a v e s m e m o r
i e s . T h i s s i g n a l , c o m p a r a b l e t o a ni n t e r
r u p t , i s d r i v e n t o t h e TEST i n p u t o f t h e 3 s l
a v e 8 0 8 6 s ,c a u s i n g t h e r ea c ti v a t i on o f t h e
s e p r o c e s s o r s , p r e v i o u s l y s t o p -p e d b y a
w a i t i n s t r u c t i o n a t t h e e n d o f t h e l a s t p r
o c e s s i n gl o o p . On t h e o t h e r h a n d , a n y s l a v
e c a n i n t e r r u p t t h e m a s t e r i nt h e c a s e o f h
a r d w a r e b r e a k d o w n ( t h i s f u n c t i o n i s d e s
c r i b e db e l o w ) .S e t t i n g s a n d o r d e r s
T h e s e t t i n g s o f t h e r e l a y a r e p r o v i d e d
b y t h u m b - w h e e l si n s e r t e d i n t o t h e f r o nt -
p l a ne o f t h e d e v i c e. T h i s t y p e o fs e t t i n g s
h a s b e e n k e p t t o m a i n t a i n a c l a s s i c a l m a n
- m a c h i n ei n t e r f a c e . S i x p a r a m e t e r s a r e
a v a i l a b l e : t h e l i m i t s o f t h e 3d o w n s t r e a
m z o n e s a n d t h e u p s t r e a m z o n e , t h e m ax im u
mr e s i s t a n c e o f t h e d e t e c t e d f a u l t s a n d t
h e e a r t h c o e f f i c i e n t( z o - z d ) / 3 z dT w e l v e
o r d e r s a n d i n f o r m a t i o n a r e i s s u e d b y t h e
p r o t e c -t i o n : s t a r t i n g o f t h e r e l a y , 3 p h
a s e - t r i p p i n g s i g n a l s , 4 z o n e s , 2d i r e c t
i o n i n f o r m a t i o n , p o w e r - s w i n g d e t e c t i o
n a n d a n a u t o t e s to u t p u t d e s c r i b e d b e l o w
. T h e y a r e t r a n s m i t t e d t o t h e o t h e re q u i p
m e n t t h r o u g h o p t o e l ec t r o n i c d e c ou p l i n g
r e l a y s ( 2 , 5 kVi n s u l a t i o n v o l t a g e , 5 i s c o
m m u t a t i o n t i m e ) .
Rack a n d p o w e r s u p p l yT h e r e l a y i s m ade o f 8
INTEL S B C ' s f o r m a t b o a r d s : 4C P U ' s , 2 b o a r d
s f o r t h e 3 a r i t h m e t i c u n i t s , o n e f o r t h e a
n a l o g
f i l t e r s a n d o n e f o r d a t a s a m p l i n g a n d a
c q u i s i t i o n . T h e i n p u ti s o l a t i o n a m p l i f
i e r s a n d t h e o u t p u t r e l a y s a re o n t h e b a c k
o ft h e d e v i c e , f o r e v i d e n t d i e l e c t r i c r e
a s o n s . F i g u r e 5 s h o w s t h ee c u i p m e n t w i t h
o u t i t s f r o n t - o l a n e .
rigure J View o i 1 .e r e l a y kwitnouu1 irrint -pid ile)
9 4
-
8/12/2019 04111351_leer
5/8
495
The different s u p p l y v o l t a g e s necessary areobtained
byDC to DCconverters from a24 V D~ C s u p p l y with
batteries:35Afor 5 V, 1.2 Afor 12 V, Afor 15 V.Hardware failure
detection
Future studies will be conducted to obtain a fault-tolerant r e
l a y , which could operate may be with downgradedp e r f o r m a n
c e s ) evenin the caseof - m a j o r hardware f a u l t s , andthe
m u l t i p r o c e s s o r structure is a good st a rt in g p o i
n t to carryout these concepts. As alimited first step, many
on-line testsareperformed by the processors. The main idea wasto
useapart of the available CPUtime to implement easy and well-known
methods to detect most of the f a i l u r e s , while at
thesametime r e q u i r i n g o n l y very few additional c h i p s
. All thesemethods will not be listed here, but among them
wecanoutline :
every processor has awatchdog which deliversani n t e r r u p ti
f not r e t r i g g e r e d by 1.5 millisecond.known values
arestored and checked in the differentRAMc h i p s
m u l t i p l i c a t i o n s ( w i t h accumulation) of known
operands areperformedmost of output information and orders
areredundant or
mutually exclusive, so that the p r o b a b i l i t y for a
randomoutput n f ssage to be taken into consideration is less
than2.2 x 10The data acquisition subsystem has rather poor
check-up
tests, asweexpect to replace it in the future aspart of di g
italautotestable mesurementtransducers.
An autotest output is permanently driven h i g h when
theequipment i s safe.
Whenever a failure is detected, it i s driven low and ageneral
reset of the equipment is i s s u e d , the d i s f u c t i o n n i
n gelement is checked a g a i n , and, if s t i l l incorrect, the
s u p p l y ofthe output opto r e l a y s is completely switched
off ( t i l l theprotection is r e p a r e d) to prevent hazardous
t r i p p i n g . This twostage?? failure p r o c e s s i n g
avoids h a v i n g to disconnect the r e l a yfor transient
faults.
T h u s , with a minimum additional hardware (7 c h i p si n c l
u d i n g the wa t chd o gs), most of failure problems can bedealt
with.
About reliability, i t should be noted that no breakdownhas
occured since the, construction of the prototype inDecember
1979.
TESTSONTHEPROTOTYPEAfter the s t e a d y - s t a t e tests
carried out for a software
debugging purpose, two kinds of data wereused to try ther e l a
y simulations onan a n a l o g model of EHVsystems, andrecords of
real faults on400 kV lines and busbars from d igit a lfault
recorders or analog magnetic tapes).Analog simulation
An a n a l o g model, EDF s M i c r o r e ' s e a u at Clamart,
wasused to create hundreds of faults of various types, i n c l u d
i n gs e q u e n t i a l l y d e v e l o p p i n g short-circuits
and losses of synchro-nism, with different network structures and
load flow condi-tions. This model usesactual r o t a t i n g
machines of somekVA,and the lines aresimulated by anumber of p i -
c el l s.
The a n g l e of fault i n c e p t i o n can be chosen, and the
phasecurrents ares e q u e n t i a l l y i n t e r r u p t e d by
the breakers onzerocrossing. One of the used network c o n f i g u
r a t i o n i s show, onf i g u r e 6 ( t h e protection wassettled
in P or P 9 ) .
F i g u r e s 7 , 8 and 9 show some short-circuits on
thissimulated 400 kV system. F i g u r e 7 d i s p l a y s a
three-phasebusbar fault at Bl behind the P r e l a y i n g p o i n
t : the t r i p p i n gtime i s about 17.5 ins. This rather slow
order is due to the lowlevel of the short-circuit currents about
1.5 time the preloadc u r r e n t ) .
L I - j l 6 k A
Z 1 . 3 I i 7 1 1.zI-_Vb - ______pha.eBt.p____
L . . 2F i g u r e 7 : 3-phase fault at BI with the r e l a y in
P
F i g u r e 8 shows ana cphases fault onthe
measurementtransducers of the P I p r o t e c t i o n . In this
casethe currents aremuch h i g h e r , but the l a r g e asymmetry
has s t i l l an unfavou-rable effect onthe clearance time: the t r
i p p i n g orders areissued in about 12 ins.
_ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ V
1 . 3 2C Q l aL
2
Scc -1 4100MVA
infinite bus)
F i g u r e 8 : a cphases fault at P I r e l a y i n g p o i n
tOn f i g u r e 9, wecanseea double line-to-earth fault at
3/5 of the l e n g t h of line T5 : the t r i p p i n g time i s
13 msin thiscase.
F i g u r e 6 : example of simulated network
T 3 1 1 1 l k m )
I P T 5 ( 1 0 3 k m ) I
- - 7 1 1
r t
I ; O;r
-
8/12/2019 04111351_leer
6/8
4 9 6- - , 1 6 k A ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ N r e c o r d
w a s r e p o r t e r e d f r o m t h e h e a l t h y c i r c u i t
. D u r i n g t h ef i r s t 4 c y c l e s , t h e c u r r e n t -
f l o w h a s t h e s a m e d i r e c t i o n t h a n o nt h e f a
u l t e d c i r c u i t ( w h i c h i n d u c e s a z o n e 2 t r i
p p i n g d e c i s i o n ) .
I
A K 1XWa . . V - \ . / . Z / ' N Y = \J 2 . '
F i g u r e 9 :a - b p h a s e s g r o u n d e d f a u l t o n l
i n e T 5F o r a l l t h e s e s h o r t - c i r c u i t s , i t s
h ou l d b e n o t e d t h a t t h et r i p p i n g s i g n a l s f
i n i s h l e s s t h a n 4 m s a f t e r f a u l t c l e a r a n c
e .T a b l e I g i v e s t h e m a xi m u m t r i p p i n g t i m e
s m e s u r e d f o rd i f f e r e n t t y p e o f s h o r t - c i
r c u i t s i n v a r i o u s c o n d i t i o n s ( a n g l e o ff
a u l t - i n c e p t i o n , p r e l o a d e t c ) .
T a b l e IR e l a y i n g T y p e o f P l a c e o f T r i p p i
n gP o i n t f a u l I t f a u l t t i m e ( i n s )
P 1 p h a s e e a r t h b u s B I 1 8P 2 P 1 5P 2 P . E . 1 2 .
5p 3 pP 1 8P 1 P . E . b u s B 2 1 9P 2 P of 1 8P 2 P . E . 17P 3
~P 1 9P 1 P . E . 4 / 5 o f l i n e T 5 1 4P 2 P ? ? 1 3 . 5P 2 P .
E . 1 3 . 5P 3 P ? ? 1 6p i I P . E . P I ( l i n e s i d e ) 1 0p
i 2 P ?9.5P I 2 P . E . I ? 9p i 3 P 9 . 5
A s t h a t c o u l d h a v e b ee n f o r e s e e n , i t h a s
b e e n e s t a b l i s h e dt h at t h e t w o m a j o r p a r a m
e t e r s i n f l u e n c i n g t h e t r i p p i n g t i m ea r e
t h e l e v e l o f t h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t (
t h e s p e e d o fc o n v e r g e n c e i n c r e a s e s w i t h
i t ) a n d t h e i m p o r t a n c e o f t h e z e r o -s e q u e
n c e q u a n t i t i e s i n t h e c a s e o f e a r t h e d f a u
l t s ( t h e c o m m u -t a t i o n t i m e t o c h a n g e p h a
s e - p h a s e i m p e d a n c e - e l e m e n t s i n t op h a s
e - t o - g r o u n d u n i t s h a s t o b e a d d e d t o c o n v
e r g e n c e t i m e ) .A c t u a l f a u l t r e c o r d s
A l i b r a r y o f o v e r 5 0 f a u l t r e c o r d s w a s m
a d e u p d u r i n gt h e p a s t tw o y e a r s : s i n g l e p h
a s e - t o - g r o u n d a n d p o l y p h a s es t a g e d s h o
r t - c i r c u i t s o n l i n e s a n d b u s b a r s , i n c l u
d i n g a r c -r e s i s t i v e f a u l t s . S e v e r a l t y p
e s o f n o r m a l s w i t c h i n g o p e r a t i o n s ,s u c h
a s l i n e e n e r g i z i n g o r d i s c o n n e c t i n g a n d
l o a d s h i f t s h a v ea l s o b e e n r e p o r t e r e d . A
l l t h e s e r e c o r d s , f r o m e i t h e r m a g n e t i ct
a p e s o r d i g i t a l p e r m a n e n t e q u i p m e n t s , h
a v e a minimumb a n d w i d t h o f 2 kHz a n d h a v e b e e n u
s e d t o t e s t t h e r e l a y , t h ep e r f o r m a n c e s o
f w h i c h were b e a r e d o u t .F i g u r e 1 0 s h o w s a p h
a s e c - t o - g r o u n d s h o r t - c i r c u i t on a4 0 0 k V
, 3 3 km d o u b l e - c i r c u i t l i n e n e a r t h e F e s s
e n h e i m n u c l e a rp o w e r - p l a n t : i t h a p p e n e
d a t t h e r e m o t e e n d a n d t h i s
F i g u r e 1 0 : a c t u a l p h a s e c - t o - g r o u n d f
a u l t on a d o u b l e - c i r c u i tl i n eT h e n t h e r e m
o t e b r e a k e r o p e n s , a n d t h e c u r r e n t - f l o w
r e v e r s e sf o r 1 . 5 c y c l e , b e f o r e t h e s h o r t
- c i r c u i t c l e a r a n c e . A t t h a t t i m e ,t h e r e
l a y f i n d s t h a t i m p e d a n c e a n d d i r e c t i o n d
o n o t c o n v e r g ea n y l o n g e r , a n d l a t c h e s i t
s o r d e r s a n d i n f o r m a t i o n . N e x t 1 7 m sl a t e
r , i t s e n d s a z o n e 4 1 ( u p s t r e a m ) t r i p p i n g
o r d e r w h i c h i sl a t c h e d f o r 2 5 m s a f t e r f a u
l t c l e a r a n c e , s i n c e t h e p r o t e c t e dl i n e i
s n o t s w i t c h e d o u t .F i g u r e 1 1 h a s b e e n c h o
s e n t o i l l u s t r a t e t h e n e c e s s i t y f o ra r e l
a y n o t o n l y t o t r i p a c t u a l f a u l t s , b u t a l s
o t o k e e p q u i t ed u r i n g t r a n s i e n t c o n d i t i
o n s w h e n i t i s n o t d i r e c t l y c o n c e r n e d .
.-....--.-...-
F i g u r e 1 1 : 3 - p h a s e b u s b a r f a u l t w i t h t
h e p r o t e c t e d l i n e o p e n e da t i t s r e m o t e e n
dA 3 - p h a s e b u s b a r s h o r t - c i r c u i t w a s i n i
t i a t e d a t B a y e t 4 0 0 k Vs u b s t a t i o n j u s t b e
h i n d t h e p r o t e c t e d c i r c u i t , w i t h t h e 1 1 0
kml i n e o p e n e d a t i t s r e m o t e e n d . T r a n s i e n
t c u r r e n t s o f o v e r 1 . 5kA p e a k a t 5 8 0 H z a p p e
a r e d , a s s o c i a t e d t o a f u l l d r o p o fv o l t a g
e s : a s r e q u i r e d , n o t r i p p i n g o r d e r w as i s
s u e d .A s a l a s t s t a g e i n t h e r e l a y t e s t s , t
h e p r o t o t y p e i s b e e i n gp e r m a n e n t l y i n s t
a l l e d ( d u r i n g t h e f i r s t t e r m o f 1 9 8 1 ) i n
ar e l a y i n g h o u s e o f a 4 0 0 k V E D F ' s s u b s t a t
i o n .
; ; z ;= 4. V- Z i
-
8/12/2019 04111351_leer
7/8
-
8/12/2019 04111351_leer
8/8
4 9 8R L ' t g ( w T / 2 ) = RDT h e s e c o n s i d e r a t i o
n s s h o w t h a t t h e e r r o r f a c t o r s ( w h i c h comef
r o m t h e t i m e q u an t i za t i on ( T f o r d t ) a n d f r
o m t h e cros s p r o d u c t sl i k e i ( t ) . i [ t - T ] ) i m
p r o v e t h e r e l a y c h a r a c t e r i s t i c s .I n f a c
t , t h e i n t e r e s t o f t h e m a t ri x a l g or i th m i s
t o p r o v i d e a b e t t e rd i g i t a l f i l t e r i n g , as
w e l l as a f a s t c o n v e r g e n c e s p e e d .2 - T h e i m
p e d a n c e s ar e c o m p u t e d a t e v e r y s a m p l e ( d
u r i n g a n y s t e a d y -s t a t e or f a u l t . c o n d i t i
o n ) , w i t h m o b i l e s a m p l i n g w i n d o w s s h i f t
e d b yT . Of c o u r s e, w h e n a f a u l t o c c u r s, some p
r e - f a u l t d a t a ar e u s e d i nt h e m a t r i x c a l c u
l a t i o n s . I n c as e o f a s e v e re s h o r t - c i r c u i
t , t h e c o n -
v e r g e n c e o f t h e c o m p u t e d v a l u e s i s f a s
t ( i t i s c h e c k e d as e x p l a i n e d i nt h e p a p e r p
a r a g r a p h T r i p p i n g c h a r a c t e r i s t i c ) a n d
a t r i p p i n g o r d e rmay b e i s s u e d i n t i m e s a s s
h o r t as 8 ms ( 0 . 4 c y c l e ) .3 - To b r i n g o u t d i f f
i c u l t i e s d u e t o t h e c o n v e r t e r s a t u r a t i o
n , t h e c u r r e n ts h o u l d b e c o n s t a n t a t t h e s
a t u r a t e d v a l u e ( i . e . g r e a t e r t h a n 4 0 KA)f
o r 1 8 s u c c e s s i v e s a m p l e ( / 4 o f a c y c l e ) . T
h i s i s f o r t u n a t e l y i m p o s s i -b l e o n o u r s y
s t e m . An a d v a n t a g e o f t h e m e a n - s q u a r e a l
g o r i t h m i s i t sa b i l i t y t o c o p e w i t h s a t u r
a t e d s i g n a l s , s o l o n g as s o m e s a m p l e s h a v
ea d i f f e r e n t v a l u e . W i t h p r a c t i c a l s i g n
a l s , t h e a l g o r i t h m a v o i d s t h ep r o b l e m o f
s i n g u l a r i t i e s . Y e t , f o r o b v i o u s r e a s o n
s r e l a t e d t o s o f t -w a r e r e l i a b i l i t y , e v e
r y d e n o m i n a t o r i s c h e c k e d b e f o r e a d i v i s
i o n t op r e v e n t a n y o v e rf l o w p r o b l em .4 - T h e
a l g o r i t h m i s a d i g i t a l f i l t e r u s e d t o e x t
r a c t q u a n t i t i e s a t t h es y s t e m f r e q u e n c y
( 5 0 H z ) . I t i s c o n s e q u e n t l y i m p o r t a n t t o
a v o i dc o n f u s i o n b e t w e e n t h i s f r e q u e n c y
a n d i t s i m a g e s near f e / 2 a n dt h i s i m p l i e s a n
a n a l o g a n t i - a l i a s i n g f i l t e r i n g . B u t , f
o r t h e o t h e rf r e q u e n c i e s o f t h e [ 0 , f e / 2 ]
b a n d , n o t h i n g s h o u l d h a v e t o b e r e -q u e s t
e d i f t h e a l g o r i t h m w a s p e r f e c t ( i . e . p r o
v i d i n g a p e r f e c t r e -j e c t i o n ) .A s a c t u a l l
y t h e s e f r e q u e n c i e s may i n d u c e some e rrors i n
t h e i m -p e d a n c e c o m p u t a t i o n s , i t w o u l d n
o t b e r ea s on n ab l e t o a l l o w a l a r g ea l i a s i n g
e f f e c t . An i d e a l d e s i g n o f t h e a n a l o g f i l
t e r s must i n c l u d e as t u d y o f t h e p r i m a r y s i g
n a l s p e c t r a a n d t h e e f f e c t o f t - r a n s d u c e
r s , asw e l l a s t h e a l g o r i t h m r e s p o n s e t o n o
n - f o n d a m e n t a l f r e q u e n c i e s .5 - T h e p r o b
l e m o f h i g h r e s i s t a n c e f a u l t a n d l o a d f l o
w i s g e n e r a l l y ap r o b l e m o f d i s c r i m i n a t i
o n b e t w e e n n o r m a l s t e a d y - s t a t e a n d f a u l
tc o n d i t i o n s , e s p e c i a l l y i n c as e o f a b i l a
t e r a l s u p p l y o f t h e s h o r t -c i r c u i t . A p o s
s i b l e f u t u r e e v o l u t i o n o f t h e r e l a y c o u l
d i n c l u d e ad y n a m i c a l l y c o m p u t e d t r i p p i
n g c h a r a c t e r i s t i c , a c c o r d i n g t o t h el o a
d . B u t t h e r e i s a l i m i t i n h e r e n t t o i m p e d a
n c e r e l a y i n g , a n d t h es o l u t i o n o f t h i s p r
o b l e m i s p r o b a b l y t h e u s e o f o t h e r d e v i c e
s s u c h aszero- sequence o r d i f f e r e n t i a l r e l a y s
.
6 - T h e p r e s e n t p r a c t i c e o n t h e F r e n c h n
e t w o r k f o r t h e s e t t i n g o f t h ef i r s t z o n e i
s 8 0 W o o f t h e l i n e , a n d t h a t e x p l a i n s o u r c
h o i c e . T h e i m -p r o v e m e n t o f t h e a c c u r a c y
i s n o t o n l y a r e l a y p r o b l e m , b u t i m p l i e sa
s w e l l a g o o d k n o w l e d g e o f t h e t r a n s d u c e r
s p e r f o r m a n c e d u r i nge l e c t r o m a g n e t i c t r
a n s i e n t s . T h i s p o i n t i s p r e s e n t l y b e i n g
i n -v e s t i g a t e d .7 - T h e 1 6 t e s t s a p p e a r i n g
i n T a b l e I a r e t h e o n e s w h i c h h a v e g i v e n t h
el o n g e s t t r i p p i n g t i m e d u r i n g s h o r t - c i
r c u i t s o n t h e n e t w o r k i l l u s -t r a t e d b y f i
g u r e 6 i n t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s : f a u l
t i n c e p t i o n a n g l ev a r y i n g f r o m 0 0 t o 3 6 0 0
( b y 1 0 0 ) , a n d l o a d s f r o m + 1 2 0 0 MW t o- 2 0 0 MW
a n d + 6 0 0 MVar t o - 6 0 0 MVar o n t h e p r o t e c t e d l i
n e .T h e minimum t r i p p i n g t i m e i s 0 . 4 c y c l e a n
d i t i s r e a c h e d f o r s e v e r es h o r t - c i r c u i t
s . I n a l l c a s e s , t h e t r i p p i n g t i m e i s a l w a
y s l e s s t h a n 1 c y -c l e . A f u l l r e p o r t w i l l b
e p u b l i s h e d o n t h e r e l a y p e r f o r m a n c e , i n
-c l u d i n g t h e r e a l f a u l t s i t h a s t r i p p e d i
n t h e A l b e r t v i l l e 4 0 0 KVs u b s t a t i o n w h e r e
i t w a s i n s t a l l e d o n J u n e 1 9 8 1 ( o n 1 5 S e p t .
1 9 8 1 , 2 5s h o r t - c i r c u i t s h a v e b e e n c o r r e
c t l y d e t e c t e d ) .8 - S e v e r a l c o n s i d e r a t i
o n s h a v e l e d t o t h e c h o i c e o f 3 s e t s o f p r o c
e s s i n gh a r d w a r e t o p e r f o r m 3 i d e n t i c a l R
a n d L d e t e r m i n a t i o n ( n o t -w i t h s t a n d i n g
t h e f a c t t h a t t h e p ro to t y p e d o es n o t a i m a t
a n i n -d u s t r i a l i z a t i o n o f t h e v e r y s a m e a
r c h i t e c t u r e ) :F i r s t , c l a s s i f y i n g t h e f
a u l t b e f o r e t h e b e g i n n i n g o f a n y i m p e d a n
c ec o m p u t a t i o n i n d u c e s d e l a y o f t h e t r i p
p i n g s i g n a l : t h i s d e l a y i s t h et i m e n e e d e
d t o p r o c e s s t h e p r e v i o u s s a m p l e s o f t h e c
h o s e n p h a s ep l u s t h e t i m e t o c h e c k t h e c o n
v e r g e n c e o f t h e c o m p u t e d v a l u e s( t h e c l a
s s i f i c a t i o n o f t h e f a u l t i n o u r c a s e n e e d
s a b o u t 6 m s ) . T h i sp r o b l e m i s s t i l l s h a r p
e r i n c a s e o f a d e v e l o p i n g s h o r t - c i r c u i t
.
T h e n , 3 i m p e d a n c e c o m p u t a t i o n s a l l o w
t o c h e c k t h e r e s u l t sc o h e r e n c e , a c c o r d i
n g t o t h e r e l a y a u t o t e s t p r o c e d u r e s .T h e
m e a n i n g o f t h e l a s t p a r t o f t h e q u e s t i o n d
o es n ot a p p e a r v e r yc l e a r t o u s . A s f a r a s w e
u n d e r s t a n d i t , w e s h o u l d a n s w e r t h a t t h
ed a t a f r o m u n f a u l t e d p h a s e s a r e n o t u s e d
t o t r i p t h e r e l a y , s i n c e ,a f t e r t h e p h a s e
s e l e c t i o n , o n l y t h e q u a n t i t i e s r e l a t e d
t o t h e f a u l t yp h a s e ( s ) a r e c o n s i d e r e d .M a
n u s c r i p t r e c e i v e d S e p t e m b e r 2 5 , 1 9 8 1
.
